PE—ECC短梁抗剪性能研究

汪夢甫　徐亞飛　陳紅波

摘 要：設計制作了一根高強混凝土短梁和兩根PE-ECC短梁，完成了其抗剪性能試驗，通過應用拉-壓桿方法、有限元方法及規(guī)范方法對其進行了抗剪承載力計算.結果表明：三根短梁均發(fā)生了剪切破壞，但剪切破壞形態(tài)并不相同，高強混凝土短梁發(fā)生剪壓破壞，PE-ECC短梁發(fā)生彎剪破壞；與高強混凝土短梁相比，PE-ECC短梁的初裂荷載和極限荷載均有較大幅度提高，顯示了較好的剪切延性；拉壓桿方法及有限元方法計算的抗剪承載力數(shù)值與實測值吻合良好，而規(guī)范方法計算值偏小，過于保守.

關鍵詞：超高韌性水泥基復合材料；短梁； 抗剪性能；有限元； 拉壓桿模型

中圖分類號：TU375； P315.92 文獻標識碼：A

文章編號：1674-2974（2015）11-0010-07

根據(jù)分析及試驗結果，國內(nèi)外均將l.0/h小于2的簡支梁及l(fā).0/h小于2.5的連續(xù)梁視為深梁；而l.0/h小于5.0的梁統(tǒng)稱為短梁，為深受彎構件[1].深受彎構件一般承受的剪力值較大而彎矩值較小，在地震或大的集中荷載作用下往往容易發(fā)生脆性剪切破壞，因而其抗剪能力相對于抗彎能力來說顯得尤為重要.為了滿足抗剪要求，深受彎構件往往具有較大的截面高度，且需配置大量的鋼筋，這樣既浪費材料，又增加了施工難度.

工程水泥基復合材料（Engineered Cementitious Composite ，ECC）是美國密歇根大學的Victor C.Li[2]基于微觀力學與斷裂力學原理，經(jīng)優(yōu)化設計而提出的一種新型工程水泥基復合材料.研究表明[2-6]，ECC在多方面都具有優(yōu)異的性能：1）具有獨特的受拉應變硬化特性，最大極限拉應變通常在3%～7%之間；2）具有較大的受壓應變；3）具有多縫穩(wěn)態(tài)開裂的特點，有或無抗剪鋼筋的ECC構件均具有較高的抗剪強度和延性；4）ECC與鋼筋之間有很好的協(xié)調(diào)變形能力，因而不會產(chǎn)生粘結滑移或劈裂破壞，出現(xiàn)多條細密微裂縫而不是幾條集中寬裂縫，鋼筋是在較大范圍屈服而不是僅在主裂縫處屈服，有利于鋼筋性能的充分發(fā)揮和提高構件耗能能力.

湖南大學卜良桃將ECC應用于加固梁中，梁的抗裂、抗剪、抗彎性能均有提高[7-8].為了改善短梁的抗剪性能，本文嘗試將摻有聚乙烯（PE）纖維的ECC代替普通混凝土應用于短梁中，對比研究其抗剪性能.

1 試驗概況

1.1 試驗用原材料及其配比

本文ECC配合比在文獻[9]基礎上試配后確定，見表1.其中，水泥采用湖南寧鄉(xiāng)南方水泥有限公司生產(chǎn)的“南方牌”P.O 42.5普通硅酸鹽水泥；硅灰由山西忻州鐵合金有限公司生產(chǎn)，平均粒徑為88 μm，比表面積為18.5 m2/g；石英粉由長沙環(huán)宇石英砂有限公司生產(chǎn)，325目，平均粒徑為50 μm，密度為2.626 g/cm3；石英砂由長沙環(huán)宇石英砂有限公司生產(chǎn)，10～20目，粒徑范圍0.9～2 mm；高效減水劑由蘇州弗克新型建材有限公司生產(chǎn)，F(xiàn)OX-8HP型聚羧酸減水劑；聚乙烯（PE）纖維由江蘇儀征化纖股份有限公司生產(chǎn)，其性能見表2.

1.2 試件設計

本次試驗共設計3根短梁，編號分別為R/CB1，R/ECCB1，R/ECCB2.其中，R/CB1梁采用C60級高強混凝土澆筑，R/ECCB1和R/ECCB2均采用ECC澆筑；截面尺寸均為150 mm×250 mm，簡支跨度為1 000 mm，兩端各外伸100 mm；縱筋和箍筋均采用HRB400級.詳細尺寸和配筋見圖1.澆筑R/CB1試件時，預留一組150 mm×150 mm×150 mm立方體標準試塊測試其立方體抗壓強度.澆筑R/ECCB1，R/ECCB2試件時預留兩組150 mm×150 mm×300 mm棱柱體試塊測試棱柱體抗壓強度及彈性模量，一組150 mm×150 mm×150 mm立方體標準試塊測試其立方體抗壓強度，一組100 mm×100 mm×400 mm棱柱體試塊測試ECC抗拉性能.

1.3 試驗裝置及加載方式

構件試驗在湖南大學結構試驗室進行，試驗裝置如圖2所示.加載設備采用100 t及150 t千斤頂，加載前，將試件放置于簡支支座上，通過分配梁實現(xiàn)兩點加載，為使荷載分配均勻，在分配梁與試件之間放置簡支支座，在反力梁與力傳感器之間放置球鉸.為得到試件跨中荷載撓度曲線，在千斤頂上端放置力傳感器準確量測荷載，在試件跨中底部放置百分表以量測撓度，在支座處放置千分表以考慮支座變形對跨中撓度的影響.為了考察鋼筋的應力應變規(guī)律，在縱筋和箍筋上黏貼應變片；為量測混凝土應變規(guī)律，垂直于加載點與支座連線布置混凝土應變片.試驗時，先對試件預加載兩次，以消除連接處間隙及檢查量測設備的工作性能，每次分三級加載到開裂荷載的50%左右.正式加載時，按每級荷載20 kN逐級增加，接近開裂荷載時降為每級10 kN，開裂后恢復到每級20 kN；同樣，接近極限荷載時，降為每級10 kN，到達極限承載力后采用位移控制.每級荷載加載后，待力顯儀讀數(shù)穩(wěn)定后記錄荷載及各百分表、千分表讀數(shù)，并用東華3815N靜態(tài)應變采集儀采集應變數(shù)據(jù).

1.4 材料性能試驗

與試件同條件常規(guī)養(yǎng)護28 d的立方體、棱柱體試塊試驗在湖南大學土木工程學院材料試驗室MTS1000 t電液伺服萬能試驗機上進行，棱柱體軸拉試驗在材料試驗室MTS60 t電液伺服試驗機上完成，鋼筋抗拉試驗在MTS60 t試驗機上完成.C60混凝土立方體抗壓強度實測均值為63.3 MPa，其余指標均參照《混凝土結構設計規(guī)范》（GB50010-2010）確定[1]；ECC材料性能指標列于表3中，鋼筋材料性能指標列于表4中.

2 試驗結果及分析

2.1 試件破壞過程及形態(tài)

根據(jù)試驗觀測，3根短梁第一條裂縫均出現(xiàn)在跨中純彎段，隨后沿支座和加載點連線開始出現(xiàn)斜裂縫，隨著荷載的增加斜裂縫發(fā)展迅速，寬度也越來越寬，正截面裂縫發(fā)展緩慢.最終裂縫分布如圖3所示.